蔡 蕁王昭升朱思宇丁嘉林

(1.南京水利科學研究院,江蘇南京 210029;2.水利部大壩安全管理中心,江蘇南京 210029;3.臺州市國土資源局,浙江臺州 318000)

隨著近年全球氣候變化加劇,水庫大壩突發(fā)災害不時出現,水庫大壩安全面臨新的挑戰(zhàn)[1]。大量潰壩案例及研究顯示,水庫大壩災害具有突發(fā)性[2],無論是暴雨、洪水、地震、泥石流等自然災害,還是人為管理不善或工程缺陷導致的水庫潰壩過程,常常發(fā)生極為迅速,并且結果難以預料[3]。傳統(tǒng)的大壩安全評估及突發(fā)事件預警決策手段正經受新的考驗,促使人們尋求更加高效的水庫大壩安全管理方法[4]。伴隨風險理念的日益深入,水庫大壩風險研究成為近年的熱點問題[5]。但現有的風險評價方法、技術與突發(fā)事件預警機制并非實時控制,有時難以滿足時間效率的需求[6]。大壩風險實時評估能夠反映實時的工情、水情、災情,為工程以及下游公共安全提供實時的風險預警情報,為下游抗災準備爭取寶貴的時間,是水庫大壩與下游生命財產安全的關鍵性技術保障[7]。

本文在前人研究基礎上,對土石壩風險實時評估進行深入研究,探索全新的風險實時分析方法,結合已有的風險評價標準與實際案例,給出改進的風險評價標準,并基于風險理念對傳統(tǒng)預警方法進行補充,提出土石壩綜合預警模型,可為土石壩預警及風險決策提供理論依據與技術支撐。

1 土石壩風險實時評估與預警

土石壩風險實時評估是指土石壩風險實時分析與風險評價。一般認為,土石壩風險為土石壩潰壩概率與潰壩后果的乘積,潰壩后果包括生命損失、經濟損失以及社會與環(huán)境影響等[8]。土石壩風險實時分析包括土石壩潰壩概率實時分析與潰壩損失分析。土石壩風險實時評估的重點是解決或平衡計算精度與計算效率之間的矛盾,并制定合理可行的風險評價與預警標準。

1.1 基于點估計法的土石壩潰壩概率實時分析

1.1.1 點估計法

潰壩概率分析采用基于可靠度理論的定量分析方法,但并非所有方法都能滿足實時分析的要求。比如蒙特卡洛法(MC法)為保證計算精度,必須采取數目很大的隨機采樣,而FOSM法則需多次迭代求解[9],這兩種方法或其改進方法在實時風險評價應用中很可能難以滿足計算效率與計算精度的需求。Rosenblueth[10]于1975年提出一種采用隨機向量估計的方法(點估計法)。點估計法是根據隨機向量的均值和標準差,以一定規(guī)律生成所有可能的隨機向量,并計算相應功能函數的值,由所計算的功能函數估算可靠度指標。點估計法已被較多的學者討論和研究[11],并被廣泛使用于巖土工程可靠度計算,具有方法簡便、精度較高、運算效率高的特點[12]。點估計法計算需要給出或確定如下參數或條件:淤影響某一事件可靠度的隨機向量X=(x1,x2,…,xn);于每一個隨機變量xi對應的均值滋xi和均方差滓xi;盂功能函數g(X)。

采用點估計法計算時,若隨機變量個數為n,則需計算2n次。對于土石壩結構破壞概率計算而言,其隨機變量個數一般在12個以內,即所需最大計算次數為4096次,完全可以滿足實時風險分析的時間需求,因此完全可將點估計法應用于土石壩的潰壩概率分析。

1.1.2 土石壩潰壩概率分析

根據我國已潰壩資料統(tǒng)計分析[13],可總結出土石壩主要潰壩模式為漫頂潰壩、滑坡失穩(wěn)潰壩及滲透破壞潰壩3種潰壩方式,其破壞原因及潰壩路徑分別為:淤汛期由于超標洪水或泄洪設施閘門無法開啟,導致洪水漫壩,相應的潰壩路徑為洪水—庫水位上升—防洪(能力)標準不足或閘門無法開啟—漫頂—沖刷壩體—大壩潰決;于因壩體內浸潤線變化較大引起壩坡失穩(wěn)滑塌,相應潰壩路徑為水庫運用—庫水位變動—壩體浸潤線異動—壩坡滑塌—大壩潰決;盂汛期壩體內滲流量較大、滲透水力坡降較高引起壩體管涌沖刷破壞,相應潰壩路徑為洪水—庫水位上升—滲流量加大—壩體顆粒料帶出—大壩潰決。由于任意一種破壞模式都會導致潰壩概率陡增,出于安全考慮,認為任意一種土石壩破壞模式最終均會導致潰壩發(fā)生。下面依次計算這3種潰壩模式的潰壩概率。

a.導致漫頂潰壩的不確定性因素為壩頂高程Z和年最大風速W,漫頂潰壩概率分析的功能函數定義為

式中:Z為壩頂高程(防浪墻頂高程);W為庫區(qū)年最大風速;h為壩前最高靜水位;e為風荷載引起的風壅高度;R為風荷載引起的波浪爬高。

則漫頂潰壩概率Pfo:

b.導致滑坡失穩(wěn)不確定性的隨機變量為土條抗剪強度指標c、漬。定義邊坡穩(wěn)定安全系數為目標函數K(c1,漬1,c2,漬2,…,cn,漬n),其中ci、漬i為土條的抗剪強度指標(i=1,2,…,n)。邊坡穩(wěn)定分析依據SL272—2001《碾壓土石壩設計規(guī)范》,圓弧滑動面可采用簡化畢肖普法計算安全系數,計算公式如下:

式中:N為土條數量;駐Wm為土條重力;V為垂直地震慣性力;u為作用于土條底面的孔隙壓力;琢為條塊重力作用線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角;駐x為土條寬度;c憶、漬憶為土條底面的有效應力抗剪強度指標;MC為水平地震慣性力對圓心的力矩;R為圓弧半徑。

非圓弧滑動面可采用滑楔法計算安全系數,計算公式如下:

式中:Pi為土條一側抗滑力;Pi-1為土條另一側抗滑力;Wi為土條重力;ui為作用于土條底部的孔隙壓力;Qi、Vi分別為水平和垂直地震慣性力;琢i為土條底面與水平面夾角;茁i為土條一側的Pi與水平面的夾角;茁i-1為土條另一側的Pi-1與水平面的夾角。

根據滑動面形式選取抗滑穩(wěn)定安全系數計算公式,定義滑坡失穩(wěn)概率的功能函數:則滑坡失穩(wěn)潰壩概率Pfl為

c.土石壩滲透破壞概率主要考慮土體材料滲透系數的隨機性,當土石壩內部滲流產生的滲透坡降J超過壩體(壩基)材料的臨界坡降JC時,土石壩發(fā)生滲透破壞。建立土石壩有限元模型,根據土石壩測壓管網或滲壓計網反演各層土體材料水平、豎直滲透系數Kix、Kiy,并根據注水滲透試驗由矩法獲得其均方差滓Kix、滓Kiy。 將各土層滲透系數Kix、Kiy作為隨機變量,獲得滲透系數隨機向量:

采用有限元模型計算土石壩關鍵部位滲透坡降Ji:

式中fi(K)為有限元計算滲透坡降的函數表達形式。

關鍵部位應包括壩體下游逸出段、壩體下游壩基上表面、心墻出逸段、心墻內部段等。因此,第i個部位滲透破壞功能函數為

則第i個部位滲透破壞概率為

利用點估計法對每個部位進行分析求解。由于任意部位發(fā)生滲透破壞都認為總體不滿足滲流穩(wěn)定,則滲透破壞的總概率為

對于漫頂潰壩、滑坡失穩(wěn)潰壩和滲透破壞潰壩3種模式,認為其中只要有1個事件發(fā)生,則土石壩發(fā)生潰壩,并且3種潰壩模式在發(fā)生之前均相互獨立,因此土石壩總體潰壩概率為

綜上所述,由監(jiān)測資料實時獲取各隨機變量的測值,基于點估計法用式(2)(5)(12)(13)依次計算Pfo、Pfl、Pfs,再根據式(14)計算得土石壩總體潰壩概率Pf。

1.2 基于土石壩潰決模型與HEC鄄RAS的潰壩損失分析

分析潰壩損失,必須首先模擬計算潰壩洪水演進,分析并確定下游洪水淹沒范圍、淹沒水深、洪水到達時間、洪水流速等要素[14],在此基礎上可依據SL/Z720—2015《水庫大壩安全管理應急預案編制導則》計算潰壩工程損失與下游淹沒損失。

1.2.1 潰壩洪水演進模擬

模擬潰壩洪水演進包括兩個過程:潰壩過程模擬與洪水演進模擬。潰壩過程模擬主要確定潰口發(fā)展過程及相應的潰口洪水計算,對于土石壩潰口模擬,根據SL/Z720—2015《水庫大壩安全管理應急預案編制導則》,均質土壩或心墻壩可采用BREACH模型,面板堆石壩可采用李雷模型[15]或陳生水模型[16]。以潰壩過程模擬得出的潰口發(fā)展過程、洪水下泄過程以及下游地形地貌等參數為基礎,采用一維、二維或一二維耦合的非穩(wěn)定水流模型,進行洪水演進模擬。洪水演進的非恒定漸變流模擬采用HEC鄄RAS有限元程序。

1.2.2 潰壩損失計算

獲得洪水演進計算結果后,根據洪水演進影響區(qū)域,將潰壩損失按潰壩生命損失、潰壩經濟損失與潰壩社會與環(huán)境影響三方面分別考慮,均采用SL/Z720—2015《水庫大壩安全管理應急預案編制導則》中規(guī)定的方法結合GIS技術進行統(tǒng)計計算,下游影響風險人口PAR按靜態(tài)風險人口統(tǒng)計法計算,生命損失LOL用D&M法計算,經濟損失DT采用分類損失率法計算,社會與環(huán)境影響采用社會與環(huán)境影響指數ISE度量,此處不再贅述。

1.3 土石壩潰壩風險評價標準與綜合預警模型

1.3.1 土石壩風險評價標準

國內外現有的風險評價或分級均是依據水庫失事后果考量的評價標準[17]。將風險用容許線、目標線分割為不可接受風險區(qū)、可容忍風險區(qū)和可接受風險區(qū)[18]。風險標準采用F鄄N線法劃分[19]。根據潰壩后果的分類,將土石壩潰壩風險評價標準相應分為PAR風險標準、LOL風險標準、DT風險標準及ISE風險標準。

令各項風險指標的數學期望E(*)表示為潰壩概率Pf與其對應風險指標的乘積,如E(PAR)=PfPAR。根據我國《生產安全事故報告和調查處理條例》(2007年國務院令第493號),認為生命損失在3人以內或經濟損失在1000萬元以內是一般事故;根據近年來水庫突發(fā)事件轉移人口調查,認為風險人口在300人以內為一般事故;社會與環(huán)境影響方面認為小于10人為一般事故。根據GB50199—2013《水利水電工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準》,認為土石壩潰決概率在1伊10-4以下是安全的,為獲得一定的安全閾度,將其降低至1/10作為土石壩安全的目標線,即Pf=1伊10-5;擴大10倍為基本安全與不安全分界線,即Pf=1伊10-3。則定義可接受的E(LOL)=3伊10-5人、E(PAR)=3伊10-3人、E(DT)=1伊10-2萬元、E(ISE)=1伊10-4;可容忍的E(LOL)=3伊10-3人、E(PAR)=3伊10-1人、E(DT)=1伊100萬元、E(ISE)=1伊10-2。根據E(*)劃分風險等級標準,將風險等級區(qū)域劃分為玉級極高風險區(qū)、域級不可接受風險區(qū)、芋級可容忍風險區(qū)及郁級可接受風險區(qū)。其中,可接受的E(*)以下為郁級可接受風險區(qū);可容忍的E(*)以下至可接受的E(*)以上為芋級可容忍風險區(qū);可容忍的E(*)以上10倍區(qū)域內為域級不可接受風險區(qū);可容忍的E(*)10倍區(qū)域以外為玉級極高風險區(qū)。風險評價標準見表1。

1.3.2 土石壩風險預警標準與綜合預警模型

根據SL/Z720—2015《水庫大壩安全管理應急預案編制導則》,我國現行水庫預警分級標準為突發(fā)事件預警標準。此標準劃分非常明確,根據后果的分級依據也較為充分,遵照此預警標準執(zhí)行的應急響應易于操作。但依舊存在以下應當引起重視的問題:

a.預警對變化的風險適應性不強[20]。在突發(fā)事件指標未超標時,現行突發(fā)事件預警標準認為無安全問題,不采取預警,但水庫大壩風險也許已開始抬升;當突發(fā)事件某項指標已經超標時,水庫已遭遇險情,此時風險早已大大增加。因此,突發(fā)事件預警標準因為根據已發(fā)生的險情指標采取預警,造成未能及早發(fā)現風險變化的情況。

b.可靠性分析缺乏與過度預警[21]。雖然現行預警分級考慮了工程安全指標,但缺少量化的分析,因此遭遇險情時,大壩安全可靠性如何,有多大把握抵抗風險,都是現行預警分析中存在的問題。正因如此,有時會產生過度預警的情況。比如雖然某些預警指標已經超標,依據突發(fā)事件預警標準必須進行預警并采取應急響應措施,但大壩事實上仍然十分安全,未發(fā)生險情,此時發(fā)出過度預警,反而造成了不必要的損失。

基于兩點考慮,本文提出與風險評價標準相銜接的風險預警分級標準。風險預警標準分類與風險評價標準相同,即按照PAR風險標準、LOL風險標準、DT風險標準及ISE風險標準分類,對應不同風險區(qū)域進行不同等級預警。對于玉級極高風險區(qū)啟動紅色玉級預警;對于域級不可接受風險區(qū)啟動橙色域級預警;在芋級可容忍風險區(qū)中間插入一個數量級的風險分級,得到芋級黃色預警與郁級藍色預警;對于郁級可接受風險區(qū)不采取預警。當風險指標指向不同預警等級時,取最高風險等級進行預警。風險預警標準見表1。當潰壩概率小于1伊10-5時,認為工程非常安全,再大的損失也沒有意義,此種情況下都屬于郁級可接受風險區(qū),不予預警。

結合突發(fā)事件預警標準與風險預警標準,構建綜合預警模型。當水庫遭遇突發(fā)事件或洪水等險情時,突發(fā)事件預警體系與預警標準和風險預警體系與預警標準應被分開考慮,而水庫大壩綜合預警模型,也應分別考慮突發(fā)事件預警標準與風險預警標準。當風險預警級別與突發(fā)事件預警級別不同時,應對水情工情進行綜合評判,分析險情發(fā)展趨勢,并判斷險情發(fā)展的可控性,若險情在可控范圍內不會向不利方向繼續(xù)發(fā)展,則按較低級別預警;若險情向不利方向發(fā)展或不可控,則按較高級別預警。水庫大壩綜合預警模型見圖1。

2 算例分析

2.1 工程概況

某水庫主壩為黏土心墻壩,2級水工建筑物,最大壩高20郾00 m,壩頂高程20郾00 m。上游坡度為1頤2郾5,下游坡度為1頤2郾3。主壩典型斷面見圖2。水庫死水位為3郾00 m,正常蓄水位為15郾00 m(汛期限制水位)。設計洪水200年一遇,設計洪水位為18郾15m;校核洪水500年一遇,校核洪水位為19郾30m。水庫下游為普通鄉(xiāng)鎮(zhèn),存在國家三級動物保護區(qū)及中小型化工企業(yè)。

根據實測資料及監(jiān)測數據,土石壩計算壩高為20m,考慮施工與不均勻沉降,壩高均方差為0郾01 m。庫面吹程為2 000 m,庫區(qū)年最大風速均值為13郾25 m/s,均方差為 2郾119 m/s。 土石壩邊坡穩(wěn)定與滲透穩(wěn)定計算參數見表2。

表1 風險評價標準與風險預警標準

圖1 水庫大壩綜合預警模型

圖2 主壩典型斷面(單位:m)

表2 邊坡穩(wěn)定與滲透穩(wěn)定主要計算參數

2.2 計算結果與分析

土石壩潰壩概率計算及潰壩損失分析采用FORTRAN語言在Visual Studio與IVF開發(fā)環(huán)境下編寫程序實現。

圖3 潰壩概率計算對數折線

圖4 各風險評估指標變化過程線

表3 綜合預警

首先進行調洪試算,依次獲得從11郾00~20郾00 m每隔1 m和19郾00~20郾00 m每隔0郾1 m壩前最高水位對應的洪水過程,其中15郾00 m(汛期限制水位)以下采用不超過泄流能力的少量入庫洪水調洪。然后對各入庫洪水過程采用相對應的水位條件計算潰壩概率;采用BREACH模型計算潰壩泄洪過程;由HECRAS程序分析相應潰壩淹沒損失。為校核點估計法的計算精度,同時采用MC法并行計算,MC法取樣次數為106次。計算結果見圖3、4及表3,圖中Pfo、Pflu、Pfld、Pfs及Pf分別為漫頂潰壩概率、上游滑坡失穩(wěn)潰壩概率、下游滑坡失穩(wěn)潰壩概率、滲透破壞潰壩概率及土石壩總潰壩概率。由于滑坡失穩(wěn)破壞概率在水位緩慢變化情況下全程基本保持不變,且水位在3郾00~18郾00 m時,漫頂破壞與滲透破壞概率極小,超出了FORTRAN程序的雙精度范圍,因此圖3(a)中略去了3郾00~17郾00 m水位部分;而土石壩風險在3郾00~11郾00 m時較小,不予預警,故表3中略去3郾00~11郾00 m部分。

計算結果分析如下:

a.比較點估計法和MC法計算結果可知,點估計法潰壩概率折線走勢與MC法一致,在大多數計算點的潰壩概率上,計算結果基本一致,總體相對誤差均保持在15%以內,因此認為點估計法計算結果科學可信,精度滿足計算要求。點估計法在每個水位下計算僅需12~16 s,而常規(guī)的洪水預報與大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)返回預報與監(jiān)測數據一般需要1 min,因此采用點估計法計算潰壩概率可以滿足風險實時分析對計算效率與計算精度的雙重要求。

b.由各風險指標變化過程線可知,土石壩風險各個指標隨著水位的上漲,都呈現兩段式的上升過程。第1段處于正常運行期,由于潰壩概率保持平穩(wěn),而潰壩損失隨著水位的上漲不斷增大,因而在風險變化折線圖中表現為一近似水平段。第2段超出正常運行范圍后,潰壩概率陡增,而潰壩損失相對變化較緩,因而表現為一大傾角的陡增段。

c.根據綜合預警表,大部分情況下風險預警標準與突發(fā)事件預警標準相吻合。根據綜合預警模型規(guī)定,當風險可控或未向不利方向發(fā)展時,取相對低標準預警,故水位在13郾00~15郾00 m 區(qū)間時,風險預警進入郁級預警而突發(fā)事件預警標準未預警,證明風險預警相對突發(fā)事件預警確實能夠較早地發(fā)現險情。此時視風險變化情況可不預警,但需采取措施控制風險。當水位超過15郾00 m時,風險正向不利方向發(fā)展,應采取郁級預警,當水位上漲到19郾40 m時,此時已超過校核洪水位,按突發(fā)事件預警標準應采取玉級預警,而風險預警標準為域級預警,根據風險分析結果,此時潰壩概率仍然較小,工程仍安全,若險情已得到控制,水位已經開始回落,可仍采用域級預警;若險情未得到控制,則必須升級為玉級預警。當水位繼續(xù)上漲到19郾50 m時,雖然風險預警標準仍然為域級預警,但此時由于風險有上升趨勢,應采用更高級別的突發(fā)事件預警標準,發(fā)布玉級預警。因此,采用綜合預警模型可以及早對水庫大壩險情進行干預,及時控制風險,且在一定程度上減少過度預警的情況。

3 結 論

a.為滿足風險實時評估的要求,采用點估計法計算土石壩潰壩概率,采用BREACH與HEC鄄RAS進行洪水演進分析,獲得水位與潰壩損失關系曲線,由土石壩潰壩概率與潰壩損失綜合分析土石壩風險。算例結果證明,以上方法可同時滿足土石壩風險實時評估對計算效率與計算精度的雙重要求。

b.綜合考慮了已有土石壩風險評價標準,在此基礎上對其進行補充,提出了新的土石壩風險評價標準。對風險評價標準進行細分,得到風險預警標準。將風險預警標準與突發(fā)事件預警標準相結合的綜合預警模型可以提升早期預警的能力,并量化分析水庫大壩安全可靠度,可規(guī)避一些過度預警的情況,降低因過度預警造成的損失。

c.應將土石壩風險實時評估與預警向其他各類壩型拓展,并以風險評估與綜合預警模型為基礎,進一步研究風險調控方法,討論實用、可行、動態(tài)的風險調度決策方案。

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